Descubren el misterio detrás de que algo tan débil como un pelo desafile las cuchillas de afeitar

By 10/08/2020 Portal

Los cuchillos requieren de un afilado regular cuando se enfrentan a duras pruebas contra duras piezas, como ocurre en una carnicería. Sin embargo, las cuchillas de afeitar se reemplazan rutinariamente después de cortar materiales mucho más blandos, y eso que generalmente están hechas de acero inoxidable, bien afiladas y recubiertas con una capa de materiales aún más duros, como el carbono de diamante. ¿Cómo algo tan débil puede deteriorar tanto una hoja, a priori, mucho más fuerte?

Ingenieros del MIT han estudiado el acto de afeitarse de cerca, observando cómo una cuchilla puede dañarse al cortar el cabello humano a pesar de ser 50 veces más débil que la propia cuchilla. Descubrieron que el afeitado deforma una cuchilla de una manera mucho más compleja de lo que se creía: hasta ahora se pensaba que simplemente se desgastaba el borde. Pero la investigación del MIT, que acaba de publicarse en «Science», revela que un solo mechón de cabello en el ángulo y las condiciones adecuadas pueden hacer que se astille la cuchilla. Y esa grieta será la condena de muerte del filo, que cada vez irá a peor, según explican.

El equipo descubrió que la estructura microscópica de la cuchilla desempeña un papel clave: es más propensa a astillarse si la microestructura del acero no es uniforme. Así, este hecho, unido a un ángulo preciso del mechón juegan un papel fundamental en el inicio de las grietas. «Nuestro objetivo principal era comprender un problema que más o menos todos conocen: por qué las cuchillas se vuelven inútiles cuando interactúan con material mucho más blando», explica C. Cem Tasan, profesor asociado de metalurgia Thomas B. King en el MIT. «Encontramos los principales ingredientes del fracaso, lo que nos permitió determinar una nueva ruta de procesamiento para hacer cuchillas que puedan durar más».

Un misterio metalúrgico
El grupo de Tasan en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT explora la microestructura de los metales para diseñar nuevos materiales con una resistencia al daño excepcional. «Era intrigante que, si cortabas algo muy suave, como el cabello humano, con algo muy duro, como el acero, el material duro fallara», afirma Gianluca Roscioli, autor principal y estudiante graduado del MIT.

Para identificar los mecanismos por los cuales las cuchillas de afeitar fallan con el uso, Roscioli realizó primero algunos experimentos preliminares, utilizando máquinillas desechables para afeitarse su propio vello facial. Después de cada afeitado, tomó imágenes del filo de la navaja con un microscopio electrónico de barrido (SEM) para rastrear el desgaste de la cuchilla con el tiempo. Y, sorprendentemente, los análisis revelaron muy poco desgaste, o redondeado del borde afilado. En cambio, notó que se formaban astillas a lo largo de ciertas regiones del filo de la navaja.

«Esto creó otro misterio: vimos astillado, pero no en todas partes, solo en ciertos lugares», dice Tasan. «Y queríamos entender, ¿en qué condiciones tiene lugar este astillado y cuáles son los ingredientes del fracaso?».

El secreto está en el ángulo
Para responder a esta pregunta, Roscioli construyó un pequeño aparato micromecánico para llevar a cabo experimentos más controlados. El aparato consiste en una plataforma móvil, con dos asas a cada lado, una para sostener una cuchilla de afeitar y la otra para anclar mechones de cabello. Utilizó cuchillas de maquinillas de afeitar comerciales, que ajustó en varios ángulos y profundidades de corte para imitar el acto de afeitarse.

El aparato está diseñado para caber dentro de un microscopio electrónico de barrido, donde Roscioli pudo tomar imágenes de alta resolución tanto del cabello como de la cuchilla mientras realizaba múltiples experimentos de corte. Usó su propio cabello, así como muestras de cabello de varios de sus compañeros de laboratorio, que en general representan una amplia gama de diámetros de cabello.

Independientemente del grosor de un cabello, Roscioli observó el mismo mecanismo por el cual el cabello dañó una cuchilla. Al igual que en sus experimentos iniciales de afeitado, Roscioli descubrió que el cabello causaba que el filo de la cuchilla se astillara, pero solo en ciertos puntos.

Cuando analizó las imágenes SEM y las películas tomadas durante los experimentos de corte, descubrió que no se producían astillas cuando se cortaba el cabello perpendicularmente a la cuchilla. Sin embargo, cuando el cabello era libre de doblarse, era más probable que se produjeran grietas. Y normalmente aparecían donde el filo de la cuchilla pasaba a los lados de los mechones de cabello.

Dureza, ángulo y heterogeneidad
Después se crearon simulaciones por ordenador y se pudo observar cómo alterando ciertas condiciones, como el ángulo de corte, la dirección de la fuerza aplicada en el corte y, lo más importante, la composición del acero de la cuchilla, se producían estas grietas. En concreto, vieron que las simulaciones predecían grietas en tres condiciones: cuando la cuchilla se acercaba al cabello en ángulo, cuando el acero de la cuchilla tenía una composición heterogénea y cuando el borde de un mechón de cabello se encontraba con la cuchilla en un punto débil en su estructura heterogénea.

Tasan dice que estas condiciones ilustran un mecanismo conocido como intensificación de tensiones, en el cual el efecto de una tensión aplicada a un material se intensifica si la estructura del material tiene microgrietas. Una vez que se forma una microgrieta inicial, la estructura heterogénea del material permitió que estas grietas se convirtieran fácilmente en astillas.

Los investigadores han presentado una patente provisional sobre un proceso para manipular el acero en una forma más homogénea, a fin de hacer cuchillas más duraderas y más resistentes a las virutas. Además, quieren aplicarlo también a otras herramientas, como los cuchillos de cocina.